RU2593617C1

RU2593617C1 - Method for improvement of energy resolution of scintillation gamma spectrometer

Info

Publication number: RU2593617C1
Application number: RU2015137802/28A
Authority: RU
Inventors: Олег Валентинович Игнатьев; Максим Павлович Белоусов; Сергей Геннадьевич Морозов; Максим Александрович Горбунов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "Атом Электроникс"
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2016-08-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to gamma spectrometers with inorganic scintillators, having dependence of light output on energy of gamma-quanta of secondary electrons formed therein. Method for improvement of energy resolution of a scintillation gamma-spectrometer includes conversion by means of a photosensor of formed gamma-quanta in inorganic scintillator of light flashes into proportional electric pulses, processing of said pulses in spectrometric circuit, providing measurement undistorted blends pulse parameters proportional energy scintillation flashes and formation in electronic memory spectrometer hardware spectrum, wherein gamma-quanta are detected by an assembly of several optically insulated interconnected scintillators with individual photosensors, wherein sizes of scintillators, included in assembly, are selected so low that secondary gamma-quanta formed by primary gamma-quanta are not absorbed in scintillator, and mainly leave volume and detected by other adjacent scintillators, components of assembly, wherein pulses caused by single interaction of gamma-quanta with scintillators in assembly, are used to generate hardware spectrum, and those that arise simultaneously at outputs of two and more photosensors corresponding adjacent scintillators, excluded from process of forming hardware spectrum.

EFFECT: high resolution of scintillation gamma-spectrometer.

1 cl, 7 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области спектрометров ионизирующих излучений, точнее к сцинтилляционным спектрометрам гамма-излучения с неорганическими сцинтилляторами, для которых характерна достаточно сильная зависимость предельно достигаемого энергетического разрешения от размеров применяемого сцинтиллятора.The present invention relates to the field of ionizing radiation spectrometers, more specifically to gamma-ray scintillation spectrometers with inorganic scintillators, which are characterized by a rather strong dependence of the maximum achievable energy resolution on the size of the scintillator used.

Типичный сцинтилляционный спектрометр энергий содержит (фиг. 1) неорганический сцинтиллятор, оптически сочлененный с ним фотосенсор (PhS), образующие детектор 1; зарядочувствительный предусилитель 2 или резистор нагрузки 3 и процессор детекторных импульсов 4. Сцинтиллятор служит для преобразования энергии поглощенных в нем гамма-квантов в световые вспышки пропорциональной интенсивности. PhS, в качестве которого чаще всего применяют вакуумный фотоэлектронный умножитель, преобразует световые вспышки в пропорциональные импульсы тока. Зарядочувствительный предусилитель, являющийся по сути интегратором, преобразует импульсы тока фотосенсора в экспоненциальные импульсы напряжения с постоянной времени спада τ_PA≥50µs и временем нарастания T_r, определяемым длительностью импульса тока PhS. Процессор детекторных импульсов выполняет функции усиления; формирования детекторных импульсов с амплитудой, пропорциональной площади импульса тока на аноде фотоумножителя (а значит, и энергии кванта); стабилизации базовой линии спектрометра, инспекции и режекции наложенных во времени сигналов, преобразования амплитуд сформированных импульсов в цифровой код и передачу этих кодов в устройство накопления, обработки и визуализации спектров (обычно это какой-либо персональный компьютер, но может быть и специализированный микропроцессор).A typical energy scintillation spectrometer contains (Fig. 1) an inorganic scintillator, an optically coupled photosensor (PhS), forming detector 1; a charge-sensitive preamplifier 2 or a load resistor 3 and a detector pulse processor 4. A scintillator is used to convert the energy of gamma rays absorbed in it into light flashes of proportional intensity. PhS, which is most often used as a vacuum photoelectronic multiplier, converts light flashes into proportional current pulses. The charge-sensitive preamplifier, which is essentially an integrator, converts the photosensor current pulses into exponential voltage pulses with a decay time constant τ _PA ≥50µs and a rise time T _r determined by the current pulse duration PhS. The processor of detector pulses performs amplification functions; the formation of detector pulses with an amplitude proportional to the area of the current pulse at the anode of the photomultiplier (and hence the quantum energy); stabilization of the baseline of the spectrometer, inspection and rejection of time-superimposed signals, converting the amplitudes of the generated pulses to a digital code and transferring these codes to a device for accumulating, processing and visualizing spectra (usually this is a personal computer, but it can also be a specialized microprocessor).

Современные фотоумножители, вакуумные и кремниевые (SiPM), характеризуются высоким коэффициентом усиления G_phe числа образованных в материале фотокатода светом фотоэлектронов (G_phe=10⁵÷5×10⁶). Поэтому принципиальной необходимости применения зарядочувствительного предусилителя, который с детекторами без внутреннего усиления обеспечивает минимизацию вносимых электронным трактом шумов, здесь нет [Акимов Ю.К. Фотонные методы регистрации излучений. Дубна: ОИЯИ, 2014 г. 323 с.]. В ряде случаев ограничиваются простой резистивной нагрузкой на аноде РМТ, обычно это 50 Ω для согласования с кабелем [Belousov М.Р. и др. Портативный сцинтилляционный гамма-спектрометр СТАРК-01. Аналитика и контроль. V. 15 (2011). №4. Р. 429-438; Belousov М.Р. et al. Scintillation spectrometer SBL-1 for the x-ray densitometer of radioactive technological solutions. Analytics and Control V. 17 (2013) №1, P. 21-26].Modern photomultipliers, vacuum and silicon (SiPM), are characterized by a high gain G _{phe of the} number of photoelectron light generated in the photocathode material (G _phe = 10 ⁵ ÷ 5 × 10 ⁶ ). Therefore, there is no fundamental need to use a charge-sensitive preamplifier, which with detectors without internal amplification, minimizes the noise introduced by the electronic path [Akimov Yu.K. Photonic radiation registration methods. Dubna: JINR, 2014. 323 pp.]. In some cases, they are limited to a simple resistive load on the PMT anode, usually it is 50 Ω for coordination with the cable [Belousov M.R. et al. Portable scintillation gamma-ray spectrometer STARK-01. Analytics and control. V. 15 (2011). Number 4. R. 429-438; Belousov M.R. et al. Scintillation spectrometer SBL-1 for the x-ray densitometer of radioactive technological solutions. Analytics and Control V. 17 (2013) No. 1, P. 21-26].

Важнейшими показателями качества сцинтилляционного гамма-спектрометра, определяющими его применимость для решения тех или иных задач, являются энергетическое разрешение (η) и эффективность регистрации γ-излучения (ε). И тот и другой показатели зависят в первую очередь от материала сцинтилляционного кристалла и его размеров.The most important quality indicators of a scintillation gamma-ray spectrometer, determining its applicability for solving particular problems, are the energy resolution (η) and the detection efficiency of γ-radiation (ε). Both indicators depend primarily on the material of the scintillation crystal and its size.

Типичный аппаратурный, полученный при регистрации сцинтилляционным γ-спектрометром излучения источника, испускающего γ-кванты одной энергии, приведен на фиг. 2.A typical apparatus obtained by recording with a scintillation γ-spectrometer the radiation of a source emitting γ-quanta of the same energy is shown in FIG. 2.

В этом спектре есть две характерные области. Выделенный штриховкой пик имеет форму, близкую к гауссовой, и обусловлен полным поглощением в сцинтилляторе γ-квантов. Положение на оси энергий центра тяжести этого пика соответствует энергии испускаемых радиоактивным источником γ-квантов. Конечная ширина пика обусловлена флуктуациями числа фотонов света, образованных поглощенными в сцинтилляторе γ-квантами.There are two characteristic regions in this spectrum. The peak highlighted by shading has a shape close to Gaussian and is due to the complete absorption of γ quanta in the scintillator. The position on the energy axis of the center of gravity of this peak corresponds to the energy of the gamma rays emitted by the radioactive source. The final peak width is due to fluctuations in the number of light photons formed by γ quanta absorbed in the scintillator.

Непрерывное распределение слева от пика полного поглощения называют комптоновским континуумом. Этот континуум обусловлен вылетом за пределы сцинтилляционного кристалла части вторичных (комптоновских) γ-квантов. Полное число отсчетов в спектре за время экспозиции соответствует полному числу зарегистрированных γ-квантов, а полное число отсчетов в спектре, деленное на время экспозиции, дает интенсивность регистрации излучения.The continuous distribution to the left of the peak of total absorption is called the Compton continuum. This continuum is due to the emission of part of the secondary (Compton) gamma rays outside the scintillation crystal. The total number of samples in the spectrum during the exposure time corresponds to the total number of registered γ-quanta, and the total number of samples in the spectrum divided by the exposure time gives the intensity of radiation registration.

Как хорошо известно [Knoll G.F. // Radiation Detection and Measurement. 3-rd Edition. John Wiley & Sons, Inc. 802 p.], при энергии γ-квантов более 1022KeV возможно взаимодействие их с веществом детектора в соответствии с эффектом образования пар. Типичный аппаратурный спектр в этом случае выглядит, как на фиг. 3, где помимо пика полного поглощения присутствуют еще два пика с энергиями, меньшими на 511 и 1022KeV.As is well known [Knoll G.F. // Radiation Detection and Measurement. 3-rd Edition. John Wiley & Sons, Inc. 802 p.], At an energy of γ-quanta greater than 1022KeV, their interaction with the detector material is possible in accordance with the effect of pairing. A typical hardware spectrum in this case looks like in FIG. 3, where in addition to the peak of total absorption, there are two more peaks with energies lower by 511 and 1022KeV.

Независимо от механизма взаимодействия зарегистрированных γ-квантов с веществом сцинтиллятора (полное поглощение, комптоновское рассеяние или эффект образования пар) сцинтилляции вызываются образующимися при поглощении γ-квантов электронами.Regardless of the mechanism of interaction of the registered gamma quanta with the scintillator material (total absorption, Compton scattering, or the effect of pairing), scintillations are caused by electrons formed during the absorption of gamma quanta.

В практике сцинтилляционной спектрометрии хорошо известен феномен ухудшения энергетического разрешения с ростом размеров сцинтилляционного кристалла даже при условии обеспечения полного сбора фотосенсором образуемых излучением фотонов света. Причина кроется в существовании практически для всех сцинтилляторов нежелательной зависимости световыхода (Light Yield - LY) от энергии образующихся электронов. LY имеет размерность [число фотонов света/1MeV поглощенной энергии γ-квантов]. Характер этих зависимостей для ряда популярных сцинтилляторов приведен на фиг. 4 [W. Mengesha et al. Light Yield Nonproportionality of CsI(Tl), CsI(Na) and YAP. IEEE Trans. on Nucl. Sci. V. 45, №3, 1998, р. 456-461]. Из данных фиг. 4 понятно, что LY отнюдь не является константой для данного сцинтиллятора.In the practice of scintillation spectrometry, the phenomenon of deterioration of the energy resolution with an increase in the size of the scintillation crystal is well known, even if the photosensor completely collects the light photons generated by the radiation. The reason lies in the existence for almost all scintillators of an undesirable dependence of the light output (Light Yield - LY) on the energy of the resulting electrons. LY has the dimension [number of light photons / 1MeV of absorbed γ-ray energy]. The nature of these relationships for a number of popular scintillators is shown in FIG. 4 [W. Mengesha et al. Light Yield Nonproportionality of CsI (Tl), CsI (Na) and YAP. IEEE Trans. on nucl. Sci. V. 45, No. 3, 1998, p. 456-461]. From the data of FIG. 4 it is clear that LY is by no means a constant for this scintillator.

В тех случаях, когда γ-кванты поглощаются не сразу, в результате фотоэффекта с передачей всей своей энергии ионизационным электронам, а лишь после комптоновского рассеяния или эффекта образования пар, энергии поглощенных квантов в конечном итоге все-таки передается электронам, но образуются несколько групп электронов со своими энергиями и тогда проявляются зависимости, показанные на фиг. 4. В результате число образованных в сцинтилляторе фотонов света при поглощении строго моноэнергетичных γ-квантов зависит от того, по каким механизмам происходили поглощения. Заметим, что главная составляющая относительного энергетического разрешения, а именно статистическая составляющая, обратно пропорциональна корню квадратному из числа образованных фотонов света. Следовательно, в силу непостоянства LY происходит дополнительное уширение пика полного поглощения. На фиг. 5 [Knoll G.F. // Radiation Detection and Measurement. 3-rd Edition. John Wiley & Sons, Inc. 802 p.] графически показаны сценарии взаимодействия γ-квантов с веществом сцинтиллятора очень больших размеров, когда все вторичные γ-кванты не покидают объем сцинтилляционного кристалла и в конечном итоге передают всю свою энергию электронам, которые, в свою очередь, вызывают образование сцинтилляционных вспышек.In those cases when the gamma quanta are not absorbed immediately, as a result of the photoelectric effect with the transfer of all its energy to ionizing electrons, but only after Compton scattering or the formation of pairs, the energy of the absorbed quanta is ultimately transferred to the electrons, but several groups of electrons with their energies and then the dependences shown in FIG. 4. As a result, the number of light photons formed in the scintillator during the absorption of strictly monoenergetic γ-quanta depends on the mechanisms by which the absorption occurred. We note that the main component of the relative energy resolution, namely, the statistical component, is inversely proportional to the square root of the number of light photons formed. Therefore, due to the inconstancy of LY, an additional broadening of the peak of total absorption occurs. In FIG. 5 [Knoll G.F. // Radiation Detection and Measurement. 3-rd Edition. John Wiley & Sons, Inc. 802 p.] Graphically shows the scenarios of the interaction of gamma quanta with scintillator matter of very large sizes, when all secondary gamma quanta do not leave the volume of the scintillation crystal and ultimately transfer all their energy to electrons, which, in turn, cause the formation of scintillation bursts.

К настоящему времени в мировой литературе, где рассматриваются проблемы создания и применения сцинтилляционных детекторов и спектрометров, не содержится сведений о способах или устройствах, которые бы уменьшали дополнительное уширение пиков аппаратурного спектра, вызванное зависимостью световыхода сцинтилляторов от энергии вторичных электронов и многостадийностью передачи им γ-квантами всей своей (т.е. полной) энергии.To date, the world literature, which discusses the problems of creating and using scintillation detectors and spectrometers, does not contain information on methods or devices that would reduce the additional broadening of the peaks of the instrumental spectrum caused by the dependence of the scintillator light output on the energy of secondary electrons and the multi-stage transmission of γ-quanta to them all its (i.e., total) energy.

Задачей изобретения является создание способа улучшения энергетического разрешения сцинтилляционного гамма-спектрометра, основанного на том, что в сцинтилляционных кристаллах малых размеров вероятность многостадийной передачи полной энергии γ-квантов вторичным электронам может быть пренебрежимо малой.The objective of the invention is to provide a method for improving the energy resolution of a scintillation gamma-ray spectrometer, based on the fact that in small-sized scintillation crystals the probability of multi-stage transfer of the total energy of γ-quanta to secondary electrons can be negligible.

Указанная задача решается тем, что гамма-кванты регистрируют сборкой из нескольких оптически изолированных между собой сцинтилляторов с индивидуальными фотосенсорами при этом размеры сцинтилляторов, входящих в сборку, выбирают настолько малыми, чтобы вторичные гамма-кванты не поглощались в данном сцинтилляторе, а преимущественно покидали его объем и детектировались другими, соседними сцинтилляторами, составляющими сборку, причем импульсы, обусловленные однократным взаимодействием гамма-квантов со сцинтилляторами в сборке, используют для формирования аппаратурного спектра, а те, которые возникли одновременно на выходах двух и более фотосенсоров, соответствующих соседним сцинтилляторам, исключают из процесса формирования аппаратурного спектра. Таким образом, создается детектор любого большого объема с разрешающей способностью, соответствующей детекторам малых размеров.This problem is solved by the fact that gamma quanta are recorded by an assembly of several scintillators optically isolated from each other with individual photosensors, while the dimensions of the scintillators included in the assembly are chosen so small that secondary gamma quanta are not absorbed in this scintillator, but mainly leave its volume and were detected by other neighboring scintillators making up the assembly, and pulses due to a single interaction of gamma rays with scintillators in the assembly using removed to form the instrument spectrum, and those that occurred simultaneously at the outputs of two or more photosensors corresponding adjacent scintillators are excluded from the process of forming the spectrogram. Thus, a detector of any large volume with a resolution corresponding to small detectors is created.

Реализация способа показана на фиг. 6, где приведена одна из возможных структурных схем с детектором 1, содержащим, например, 9 оптически изолированных неорганических сцинтилляционных кристаллов, поименованных "Сцинтиллятор1÷Сцинтиллятор9" с индивидуальными кремниевыми фотосенсорами (SiPS), например кремниевыми фотоумножителями (SiPM). Выход каждого из фотосенсоров соединен со своим входом аналогового сумматора 6- и 9-канальной схемы таймирования (схемы хронирования) сигналов 5. Каждый из элементов таймирования (Т1÷T9) в ответ на входные импульсы от фотосенсоров выдает стандартизованные по длительности короткие логические импульсы, "привязанные" к моменту появления аналоговых входных импульсов. Выходы 9-канальной схемы таймирования соединены с одноименными входами 9-канальной схемы совпадений 7. Логика работы схемы совпадений 7 отличается от стандартной. Сигнал на ее выходе образуется при одновременном появлении импульсов на двух ее и более входах, а не обязательно всех девяти. Выходной сигнал схемы совпадений 7 призван сигнализировать о том, что произошло рассеяние γ-кванта внутри одного из сцинтилляторов, и, соответственно, о необходимости запрета измерения амплитуд всех возникших одновременно импульсов. Одновибратор 8, включенный между выходом схемы совпадений 7 и входом "запрет" стандартного процессора 4 спектрометрических импульсов, необходим для предотвращения преждевременного прихода запрещающего импульса.The implementation of the method is shown in FIG. 6, where one of the possible structural diagrams is shown with a detector 1 containing, for example, 9 optically isolated inorganic scintillation crystals, named "Scintillator 1 ÷ Scintillator 9" with individual silicon photosensors (SiPS), for example, silicon photomultipliers (SiPM). The output of each of the photosensors is connected to its input of the analog adder of the 6- and 9-channel timing circuit (timing circuit) of signals 5. Each of the timing elements (T1 ÷ T9) in response to the input pulses from the photosensors generates short logic pulses standardized in duration, " tied to the moment of appearance of analog input pulses. The outputs of the 9-channel timing circuit are connected to the inputs of the 9-channel coincidence circuit of the same name 7. The logic of operation of the coincidence circuit 7 differs from the standard. A signal at its output is formed when pulses appear simultaneously at two or more of its inputs, and not necessarily all nine. The output signal of coincidence circuit 7 is intended to signal that a γ-ray scattering inside one of the scintillators has occurred, and, accordingly, that it is necessary to prohibit the measurement of the amplitudes of all pulses arising simultaneously. A single-shot 8, connected between the output of the coincidence circuit 7 and the input "prohibition" of the standard processor 4 of the spectrometric pulses, is necessary to prevent the premature arrival of the inhibit pulse.

Аналоговый сумматор 6 выполняет роль пассивного, т.е. времяинвариантного, коммутатора и может быть выполнен просто на резисторах.Analog adder 6 acts as a passive, i.e. time-invariant, the switch and can be performed simply on resistors.

Стандартный процессор детекторных импульсов 4 может ничем не отличаться от применяемых с обычными сцинтилляционными детекторами. Он выполняет функции усиления детекторных импульсов, формирования их с целью увеличения отношения сигнал/шум, стабилизации базовой линии спектрометра, режекции наложенных во времени импульсов, преобразования амплитуд импульсов в цифровой код, формирование аппаратурного спектра и передачи его в персональный или иной компьютер для последующей обработки.The standard processor for detector pulses 4 may be no different from those used with conventional scintillation detectors. It performs the functions of amplifying detector pulses, forming them with the aim of increasing the signal-to-noise ratio, stabilizing the spectrometer base line, notching the impulses superimposed over time, converting the pulse amplitudes into a digital code, shaping the hardware spectrum and transmitting it to a personal or other computer for subsequent processing.

На фиг. 7 показаны две характерные ситуации, иллюстрирующие функционирование спектрометра. Пусть в t=t₁ возник импульс на выходе фотосенсора SiPS1. Поскольку на остальных фотосенсорах сигналов нет, то сигнал запрета не вырабатывается, этот импульс стандартным образом обрабатывается процессором спектрометрических импульсов.In FIG. Figure 7 shows two characteristic situations illustrating the operation of the spectrometer. Let a pulse arise at t = t ₁ at the output of the SiPS1 photosensor. Since there are no signals on the remaining photosensors, the prohibition signal is not generated, this pulse is processed in the standard way by the spectrometric pulse processor.

Пусть в t=t₂ сигналы возникают на выходах 5-го и 6-го фотосенсоров например. Это означает, что либо в 5-м, либо в 6-м сцинтилляторе произошло неупругое рассеяние γ-кванта и рассеянный γ-квант был зарегистрирован соседним сцинтиллятором (6-м или 5-м). Схема совпадения срабатывает, одновибратором вырабатывается запрещающий импульс и кодирования суммарного импульса с двух сцинтилляторов не происходит. Аналогичные операции происходят в случае одновременного срабатывания большего числа фотосенсоров.Let signals at t = t ₂ occur at the outputs of the 5th and 6th photosensors, for example. This means that either in the 5th or 6th scintillator there was an inelastic scattering of the γ-quantum and the scattered γ-quantum was detected by the neighboring scintillator (6th or 5th). The coincidence circuit is triggered, a inhibitory pulse is generated by a single-vibrator, and the total pulse is not encoded from two scintillators. Similar operations occur in case of simultaneous operation of a larger number of photosensors.

Возможна более совершенная реализация способа. При относительно небольшом числе сцинтилляционных кристаллов в сборке, как на фиг. 6, вылетающие из ряда кристаллов рассеянные γ-кванты никак не фиксируются. Так для сцинтилляторов №1, 3, 7, 9 возможен вылет через две боковые грани, а для сцинтилляторов №2, 4, 6, 8 - через одну. Эффективность регистрации рассеянных γ-квантов можно значительно увеличить, окружив сборку из неорганических сцинтилляционных кристаллов защитным экраном из пластин дешевого органического сцинтиллятора, снабдив упомянутые сцинтилляционные пластины своими фотосенсорами, подключенными только к схеме совпадений (но не к аналоговому сумматору). При этом пластины из органического сцинтиллятора могут находиться между собой в оптическом контакте, но должны быть оптически изолированными от неорганических сцинтилляторов в сборке. Схема совпадений в этом случае должна иметь на 4 входа больше, т.е. она должна быть 13-входовой. Никакой проблемы это не составляет. Органические сцинтилляторы обладают меньше, чем неорганические, эффективностью регистрации γ-излучения из-за меньших плотности и эффективного порядкового номера Z_eff. В данном их применении это является скорее достоинством, чем недостатком. Дело в том, что защитный органический сцинтиллятор более прозрачен для γ-квантов, приходящих снаружи сцинтилляционной сборки, чем для рассеянных в неорганических сцинтилляторах сборки, поскольку энергия неупруго рассеянных (комптоновских и аннигиляционных) всегда ниже, чем у первичных, а вероятность взаимодействия γ-кванта с легкими веществами тем выше, чем ниже его энергия.A more perfect implementation of the method is possible. With a relatively small number of scintillation crystals in the assembly, as in FIG. 6, scattered γ-quanta emitted from a number of crystals are not fixed in any way. So for scintillators No. 1, 3, 7, 9, a flight through two side faces is possible, and for scintillators No. 2, 4, 6, 8 - through one. The detection efficiency of scattered γ-quanta can be significantly increased by surrounding the assembly of inorganic scintillation crystals with a protective screen from the plates of a cheap organic scintillator, providing the mentioned scintillation plates with their photosensors connected only to the coincidence circuit (but not to the analog adder). In this case, plates from an organic scintillator can be in optical contact with each other, but must be optically isolated from inorganic scintillators in the assembly. The coincidence scheme in this case should have 4 more inputs, i.e. it should be 13-input. This is not a problem. Organic scintillators have less than inorganic scintillation efficiency due to lower density and effective sequence number Z _eff . In this application, this is a virtue rather than a disadvantage. The fact is that the protective organic scintillator is more transparent for gamma rays coming from outside the scintillation assembly than for scattered in inorganic scintillators of the assembly, since the energy of inelastically scattered (Compton and annihilation) is always lower than that of the primary ones, and the probability of interaction of the γ quantum with light substances, the higher the lower its energy.

Технический результат применения заявляемого способа улучшения энергетического разрешения сцинтилляционного гамма-спектрометра состоит в том, что снимается противоречие между стремлением к высокой эффективности регистрации γ-излучения, определяемой для данного материала кристалла его размерами, и стремлением к достижению предельно высокой разрешающей способностью, достигаемой со сцинтилляторами малых размеров. Указанное противоречие снимается путем создания детектора требуемого объема в виде матрицы из оптически изолированных сцинтилляционных кристаллов небольших размеров с обеспечением запрета регистрации возникающих в малых кристаллах вторичных гамма-квантов соседними элементами матрицы и с защитным органическим сцинтиллятором.The technical result of the application of the proposed method for improving the energy resolution of a scintillation gamma-ray spectrometer is that the contradiction between the desire for high detection efficiency of γ-radiation, determined for a given material of a crystal by its size, and the desire to achieve an extremely high resolution achieved with small scintillators is removed sizes. This contradiction is eliminated by creating a detector of the required volume in the form of a matrix of optically isolated small scintillation crystals with the prohibition of registration of secondary gamma-quanta arising in small crystals by neighboring matrix elements and with a protective organic scintillator.

Перечень фигурList of figures

Фиг. 1 Типовая структура сцинтилляционного γ-спектрометра.FIG. 1 Typical structure of a scintillation γ-spectrometer.

Фиг. 2. Типичный аппаратурный спектр одиночной γ-линии, полученный со сцинтилляционным детектором средних размеров при Еγ≤2m₀C²=1022 кэВ. Сплошное распределение обусловлено вылетом за пределы кристалла рассеянного (комптоновского) гамма-кванта.FIG. 2. Typical instrument spectrum of a single γ-line obtained with a medium-sized scintillation detector at Eγ≤2m ₀ C ² = 1022 keV. The continuous distribution is due to the emission of a scattered (Compton) gamma ray outside the crystal.

Фиг. 3. Типичный аппаратурный спектр одиночной γ-линии при Еγ≥2m₀C²=1022 кэВ, полученный со сцинтилляционным детектором средних размеров. m₀C² - энергия покоя электрона; Single escape peak и Double escape peak - пики, обусловленные вылетом одного и двух аннигиляционных электронов, соответственно; Multiple Compton events - множественные комптоновские события.FIG. 3. Typical instrumental spectrum of a single γ-line at Eγ≥2m ₀ C ² = 1022 keV obtained with a medium-sized scintillation detector. m ₀ C ² - rest energy of an electron; Single escape peak and Double escape peak - peaks due to the emission of one and two annihilation electrons, respectively; Multiple Compton events - multiple Compton events.

Фиг. 4. Зависимость световыхода некоторых сцинтилляторов в функции от энергии образованных γ-излучением электронов. Световыход дан в относительных единицах, нормировка на единицу выполнена для всех сцинтилляторов при энергии электронов 400 кэВ.FIG. 4. The dependence of the light yield of some scintillators in function of the energy generated by the γ-radiation of electrons. The light output is given in relative units, normalization per unit is performed for all scintillators at an electron energy of 400 keV.

Фиг. 5. Гипотетический случай сцинтиллятора столь больших размеров, что все вторичные γ-кванты полностью поглощаются в его объеме.FIG. 5. The hypothetical case of a scintillator of such large dimensions that all secondary γ-quanta are completely absorbed in its volume.

Фиг. 6. Одна из простейших реализаций способа. Детектор содержит 9 оптически изолированных сцинтилляционных кристаллов.FIG. 6. One of the simplest implementations of the method. The detector contains 9 optically isolated scintillation crystals.

Фиг. 7. Временные диаграммы одной из реализаций спектрометра.FIG. 7. Timing diagrams of one of the implementations of the spectrometer.

Claims

1. A method for improving the energy resolution of a scintillation gamma-ray spectrometer, including converting light flashes generated by gamma-quanta in an inorganic scintillator into a proportional electric pulse using a photosensor, processing these pulses in a spectrometric path, providing measurement of undistorted impulse parameters proportional to the energy of scintillation flashes and generating in the electronic memory of the instrument spectrometer, characterized in that gamma-square The scans are recorded by an assembly of several scintillators optically isolated from each other with individual photosensors, while the dimensions of the scintillators included in the assembly are chosen so small that the secondary gamma rays formed by the primary gamma quanta are not absorbed in this scintillator, but mainly leave its volume and are detected other neighboring scintillators making up the assembly, and pulses due to a single interaction of gamma rays with scintillators in the assembly use I'm forming apparatus spectrum, and those which have arisen simultaneously on the outputs of two or more photosensors corresponding to neighboring scintillators are excluded from the process of forming the instrument spectrum.

2. A method for improving the energy resolution of a scintillation gamma-ray spectrometer according to claim 1, characterized in that the assembly of inorganic scintillators is surrounded by a protective, for example organic, scintillator with its own photosensors, and the signals from the protective scintillator's photosensors that occurred simultaneously with the signal from one or more photosensors of the working scintillators included in the assembly are used to prohibit the registration of the latter.